CHệễNG 4: HEÄ THOÁNG THOÂNG TIN QUANG COHERENT
IV. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHẠY MÁY THU
1. Nhiễu pha
Yếu tố quan trọng làm giảm độ nhạy thu trong hệ thống thông tin quang Coherent đó là nhiễu pha. Nhiễu pha có liên quan đến bộ phát quang và bộ dao động nội. Từ biểu thức (4.11) và (4.12) ta thấy, sự thăng giáng về pha φ giữa tín hiệu tới và tín hiệu dao động nội sẽ dẫn đến sự thay đổi về dòng ở ngõ ra của bộ tách sóng, điều này thể hiện bản chất kết hợp của quá trình tách sóng quang, từ đó làm giảm tỉ số SNR của tín hiệu. Cả pha của tín hiệu tới φS và pha của bộ dao động nội φL nên được giữ ổn định để tránh suy giảm độ nhạy. Khoảng thời gian mà trong đó pha của laser được giữ tương đối ổn định được gọi là thời gian kết hợp.
Gọi ∆λS là độ rộng phổ laser của bộ phát, ∆λL là độ rộng phổ laser của bộ dao động nội và RT là tốc độ bit của hệ thống thì tỉ số độ rộng phổ/tốc độ bit được định nghĩa như sau:
Tỉ số độ rộng phổ/tốc độ bit = RT
λ
∆ (4.68)
với:
L S+∆λ λ
∆
= λ
∆ (4.69)
được gọi là độ rộng phổ IF.
Đại lượng tỉ số độ rộng phổ/tốc độ bit được sử dụng để đặc trưng cho sự ảnh hưởng của nhiễu pha đến đặc tính của hệ thống thông tin quang Coherent. Giá trị cho phép của ∆λ/RT thường được xác định sao cho sự mất mát công suất không được vượt quá 1dB, điều này phụ thược vào dạng điều chế và kỹ thuật tách sóng được sử dụng. Giá trị điển hình của ∆λ/RT là nhỏ hơn 5.10-4. [2]
Các yêu cầu về độ rộng phổ sẽ được nới lỏng đáng kể đối với các bộ thu sử dụng tách sóng heterodyne, đặc biệt là đối với dạng tách sóng heterodyne không đồng bộ ASK và FSK. Đối với bộ thu heterodyne đồng bộ thì cần có ∆λ/RT < 5.10-3. Đối với các bộ thu sử dụng tách sóng đường bao thì ∆λ/RT có thể lớn hơn 0,1 vì nó đã bỏ qua thông tin về pha. Dạng điều chế DPSK yêu cầu độ rộng phổ hẹp hơn, đó là do thông tin được chứa trong sự sai pha giữa hai bit kế cận và pha được giữ không đổi trong suốt khoảng thời gian hai bit. Một số kết quả tính toán cho rằng ∆λ/RT nên nhỏ hơn 1% để công suất mất mát nhỏ hơn 1dB [2].
Việc thiết kế các hệ thống thông tin quang Coherent đòi hỏi cần phải có các laser bán dẫn đơn mode dọc có độ rộng phổ hẹp và bước sóng có thể điều chỉnh được để phối hợp tần số sóng mang ωS với tần số của bộ dao động nội ωL sao cho tạo ra tín hiệu IF có tần số đúng như yêu cầu.
Một phương pháp khác giải quyết vấn đề nhiễu pha là thiết kế các thiết bị thu đặc biệt gọi là máy thu phân tập pha [2]. Kỹ thuật này thích hợp cho dạng điều chế ASK, FSK và DPSK.
2. Nhiễu cường độ
Nhiễu cường độ thường được bỏ qua đối với tách sóng trực tiếp nhưng trong bộ thu quang Coherent thì không bỏ qua được [2].
Một giải pháp cho vấn đề nhiễu cường độ là dùng các bộ thu cân bằng, các bộ thu này có hai cổng với hai bộ tách sóng quang. Sơ đồ bộ thu cân bằng được minh hoạ ở hình 4.17.
Hình 4.17 Bộ thu Coherent cân bằng hai cổng [2].
Coupler 2×2 là loại coupler 3dB, nó trộn hai tín hiệu: eS(t) là tín hiệu vào và eL(t) là tín hiệu của bộ dao động nội. Sau đó coupler này chia đôi tín hiệu vừa trộn và dẫn hai tín hiệu này qua hai bộ tách sóng khác nhau,và tạo ra hai dòng photon Ip(+) và Ip(-) trên hai nhánh tương ứng:
(ω +φ)
+ +
=
+ R(P P ) R PP cos t 2
) 1 (
Ip S L S L IF (4.70)
(ω +φ)
− +
=
− R(P P ) R PP cos t 2
) 1 (
Ip S L S L IF (4.71)
với hf
R =ηe là đáp ứng của photodiode trong bộ tách sóng.
Hai dòng điện này khi trừ nhau sẽ tạo ra tín hiệu heterodyne, thành phần một chiều bị loại bỏ hoàn toàn khi hai nhánh cân bằng nhau. Điều này xảy ra đối với coupler 3dB hoàn hảo với tỉ số phân chia đúng 50%. Điều quan trọng ở đây là nhiễu
cường độ đi kèm với số hạng một chiều cũng được loại bỏ trong quá trình trừ hai dòng điện cho nhau. Nguyên nhân là bộ dao động nội cung cấp công suất cho mỗi nhánh là như nhau, do đó độ thăng giáng cường độ của các dòng photon Ip(+) và Ip(-) của hai nhánh sẽ khử lẫn nhau khi trừ hai tín hiệu này. Tuy nhiên, đại lượng dòng AC là không khử được cho dù là trong một máy thu cân bằng, nhưng tác động của chúng ảnh hưởng ít nghiêm trọng đến đặc tính của hệ thống vì có sự phụ thuộc căn bậc hai của công suất bộ dao động nội.
Bộ thu cân bằng được sử dụng trong hệ thống thông tin quang Coherent vì nó có hai ưu điểm sau:
• Nhiễu cường độ gần như được loại bỏ.
• Tất cả công suất của tín hiệu tới và của bộ dao động nội được sử dụng một cách có hiệu quả. Tất cả các bộ thu cân bằng đều sử dụng toàn bộ công suất của tín hiệu và tránh được sự mất mát này. Đồng thời bộ thu cân bằng cũng sử dụng hết công suất của bộ dao động nội nên dễ dàng cho hệ thống hoạt động trong giới hạn của nhiễu lượng tử.
3. Không tương xứng về phân cực
Trạng thái phân cực của tín hiệu thu được không đóng một vai trò nào trong các bộ thu tách sóng trực tiếp đơn giản vì dòng photon được tạo ra chỉ phụ thuộc vào số lượng photon tới. Nhưng đối với các bộ thu quang Coherent lại đòi hỏi sự tương xứng về trạng thái phân cực của tín hiệu từ bộ dao động nội với tín hiệu thu được [2].
Phương pháp thông dụng nhất được sử dụng để giải quyết vấn đề phân cực là dùng máy thu hai cổng tương tự như hình 4.12 nhưng khác ở chỗ hai nhánh sẽ xử lý các thành phần phân cực trực giao nhau. Cách thu như vậy được gọi là máy thu phân tập phân cực [2].
4. Tán sắc trong sợi quang
Trong hệ thống IM/DD, tán sắc ảnh hưởng đến tốc độ bit hoạt động của hệ thống, đặc biệt là trong hệ thống tốc độ cao. Tán sắc trong sợi quang còn ảnh hưởng đến các đặc tính của hệ thống thông tin quang Coherent, mặc dù không nghiêm trọng so với hệ thống IM/DD. Lý do là hệ thống Coherent cần phải sử dụng các laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mode dọc với độ rộng phổ hẹp. Hiện tượng chirp tần số có thể tránh bằng cách sử dụng các bộ điều chế ngoài, hơn nữa có thể bù tán sắc của sợi quang thông qua kỹ thuật cân bằng điện trong miền IF.
5. Các yếu tố hạn chế khác
Có rất nhiều yếu tố có thể làm giảm đặc tính hệ thống thông tin quang Coherent và cần được xem xét đến trong suốt quá trình thiết kế hệ thống. Hồi tiếp phản xạ là một trong những yếu tố như vậy. Bất kỳ sự hồi tiếp nào trong máy phát laser và bộ dao động nội đều phải tránh, vì nó có thể làm laser bán dẫn có phổ rộng
ra hoặc làm việc ở chế độ đa mode. Như vậy các bộ Isolator quang cần được sử dụng để giảm hồi tiếp quang trong các laser bán dẫn.
Có rất nhiều phản xạ giữa hai bề mặt, phản xạ dọc theo cáp sợi quang có thể biến nhiễu pha thành nhiễu cường độ và ảnh hưởng đến đến đặc tính của hệ thống quang Coherent. Sự chuyển đổi như vậy thậm chí có thể xảy ra trong máy thu, nơi thường có một đoạn sợi quang ngắn dùng để nối bộ dao động nội đến các thành phần khác của máy thu, chẳng hạn như coupler quang.